Ne-am pus cu toții această întrebare la un moment dat în viața noastră: Cât durează călătoria către stele? Ar putea fi în timpul vieții unei persoane și acest tip de călătorie ar putea deveni norma într-o zi? Există multe răspunsuri posibile la această întrebare - unele foarte simple, altele pe tărâmul science-fiction. Dar a veni cu un răspuns cuprinzător înseamnă a lua în considerare o mulțime de lucruri.
Din păcate, orice evaluare realistă poate produce răspunsuri care ar descuraja total futuristii și pasionații de călătorii interstelare. Îți place sau nu, spațiul este foarte mare, iar tehnologia noastră este încă foarte limitată. Dar dacă ar trebui să ne gândim vreodată la „părăsirea cuibului”, vom avea o serie de opțiuni pentru a ajunge la cele mai apropiate sisteme solare din galaxia noastră.
Cea mai apropiată stea de pe Pământ este Soarele nostru, care este o stea destul de „medie” în „Secvența principală” a diagrama Hertzsprung - diagrama Russell. Acest lucru înseamnă că este foarte stabil, oferind Pământului doar tipul potrivit de lumină solară pentru ca viața să evolueze pe planeta noastră. Știm că există planete care orbitează alte stele aproape de Sistemul nostru solar și multe dintre aceste stele sunt similare cu ale noastre.
În viitor, dacă omenirea dorește să părăsească Sistemul Solar, vom avea o alegere uriașă de stele la care am putea călători și multe ar putea avea condițiile potrivite pentru ca viața să prospere. Dar unde am merge și cât ne-ar fi trebuit să ajungem acolo? Amintiți-vă doar că este totul speculativ și în prezent nu există un punct de referință pentru călătoriile interstelare. Acestea fiind spuse, iată-ne!
Steaua cea mai apropiată:
După cum sa menționat deja, cea mai apropiată stea de Sistemul nostru solar este Proxima Centauri, motiv pentru care are cel mai mult sens să planifice mai întâi o misiune interstelară în acest sistem. Ca parte a unui sistem cu trei stele numit Alpha Centauri, Proxima se află la aproximativ 4,24 ani-lumină (sau 1,3 parsecs) de pe Pământ. Alpha Centauri este de fapt cea mai strălucitoare stea dintre cele trei din sistem - parte a unui binar care orbitează strâns la 4,37 ani-lumină de pe Pământ - în timp ce Proxima Centauri (cea mai slabă dintre cele trei) este o pitică roșie izolată aflată la aproximativ 0,13 ani-lumină de la binar. .
Și în timp ce călătoria interstelară conjurează tot felul de viziuni ale călătoriei Faster-Than-Light (FTL), de la viteza de urzire și găurile de vierme până la unități de salt, astfel de teorii sunt fie foarte speculative (cum ar fi unitatea Alcubierre), fie în totalitate provincia științei. fictiune. După toate probabilitățile, orice misiune spațială profundă va duce probabil generații să ajungă acolo, mai degrabă decât câteva zile sau într-o clipă instantanee.
Deci, începând cu una dintre cele mai lente forme de călătorie în spațiu, cât timp va dura pentru a ajunge la Proxima Centauri?
Metode curente:
Întrebarea cât timp va dura pentru a ajunge undeva în spațiu este oarecum mai ușoară atunci când aveți de-a face cu tehnologia și corpurile existente din Sistemul nostru solar. De exemplu, utilizarea tehnologiei care alimentează misiunea New Horizons - care consta din 16 propulsoare alimentate cu hidrazină monopropelantă - ajungerea pe Lună va dura doar 8 ore și 35 de minute.
Pe de altă parte, există misiunea SMART-1 a Agenției Spațiale Europene (ESA), care și-a petrecut timpul călătorind pe Lună folosind metoda propulsiei ionice. Cu această tehnologie revoluționară, a cărei variantă a fost folosită de navele spațiale Dawn pentru a ajunge la Vesta, misiunea SMART-1 a avut nevoie de un an, o lună și două săptămâni pentru a ajunge pe Lună.
Așadar, de la navele spațiale propulsate cu rachete până la unitatea economică ionică, avem câteva opțiuni pentru a ne deplasa în spațiul local - în plus, am putea folosi Jupiter sau Saturn pentru un slingshot gravitațional. Cu toate acestea, dacă ar fi să avem în vedere misiunile într-un loc ceva mai îndepărtat, ar trebui să ne dezvoltăm tehnologia și să ne uităm la ceea ce este cu adevărat posibil.
Când spunem posibile metode, vorbim despre cele care implică tehnologia existentă sau cele care încă nu există, dar sunt realizabile din punct de vedere tehnic. Unele, după cum veți vedea, sunt respectate de timp și dovedite, în timp ce altele sunt în curs de dezvoltare sau sunt încă pe tablă. Cu toate acestea, în aproape toate cazurile, ele prezintă un posibil (dar extrem de consumator de timp sau costisitor) pentru a ajunge chiar și la cele mai apropiate stele ...
Propulsie ionică:
În prezent, cea mai lentă formă de propulsie, și cea mai eficientă din punct de vedere al consumului de combustibil, este motorul cu ioni. În urmă cu câteva decenii, propulsia ionică era considerată subiectul științei ficțiunii. Cu toate acestea, în ultimii ani, tehnologia de susținere a motoarelor cu ioni a trecut de la teorie la practică într-un mod mare. Misiunea SMART-1 a ESA, de exemplu, și-a încheiat cu succes misiunea pe Lună după ce a luat o cale spirală de 13 luni de pe Pământ.
SMART-1 a folosit propulsoare cu ioni solare, unde energia electrică a fost recoltată din panourile sale solare și a fost utilizată pentru a alimenta propulsoarele cu efect Hall. Doar 82 kg de propulsor xenon au fost folosiți pentru a propulsa SMART-1 pe Lună. 1 kg de propulsor xenon a furnizat o delta-v de 45 m / s. Aceasta este o formă de propulsie extrem de eficientă, dar nu este în niciun caz rapidă.
Una dintre primele misiuni de utilizare a tehnologiei de propulsie ionică a fost Deep Space 1 misiune la Comet Borrelly, care a avut loc în 1998. DS1 a folosit, de asemenea, o unitate de ionizare bazată pe xenon, consumând 81,5 kg de combustibil. Pe parcursul a 20 de luni de acțiune, DS1 a reușit să atingă o viteză de 56.000 km / h (35.000 mile / h) în timpul zborului său al cometei.
Prin urmare, eletrele cu ioni sunt mai economice decât tehnologia rachetelor, deoarece impulsul pe unitatea de masă a propulsorului (de exemplu impuls specific) este mult mai mare. Dar este nevoie de mult timp pentru propulsoarele ionice să accelereze navele spațiale până la viteze mari, iar viteza maximă pe care o poate atinge depinde de alimentarea sa de combustibil și de câtă energie electrică poate genera.
Așadar, dacă propulsia ionică ar fi folosită pentru o misiune în Proxima Centauri, propulsoarele ar avea nevoie de o sursă uriașă de producție de energie (adică energie nucleară) și de o cantitate mare de propulsor (deși încă mai puțin decât rachetele convenționale). Dar bazându-se pe presupunerea că o sursă de 81,5 kg de propulsor xenon se traduce într-o viteză maximă de 56.000 km / h (și că nu există alte forme de propulsie disponibile, cum ar fi un slingshot gravitațional care să-l accelereze mai departe), unele calcule pot fi făcut.
Pe scurt, la o viteză maximă de 56.000 km / h, Deep Space 1 ar prelua 81.000 de ani pentru a traversa cei 4,24 ani-lumină dintre Pământ și Proxima Centauri. Pentru a pune această scală în perspectivă, aceasta ar fi peste 2.700 de generații umane. Așadar, este sigur să spunem că o misiune interplanetară a motorului cu ioni ar fi mult prea lent pentru a fi luată în considerare pentru o misiune tripulară tripulată.
Însă, în cazul în care propulsoarele cu ioni ar fi făcute mai mari și mai puternice (adică viteza de evacuare a ionilor ar trebui să fie semnificativ mai mare) și ar putea fi transportat suficient propulsor pentru a menține navele spațiale în cursul întregii călătorii de 4.243 de ani-lumină, acest timp de călătorie ar putea fi mult redus. Totuși nu este suficient să se întâmple în viața cuiva.
Metoda de asistență gravitațională:
Cel mai rapid mijloc de călătorie în spațiu este cunoscut sub numele de metoda Gravity Assist, care implică o navă spațială folosind mișcarea relativă (adică orbita) și gravitația unei planete pentru a modifica este calea și viteza. Asistențele gravitaționale sunt o tehnică foarte utilă a fluxului spațial, în special atunci când se folosește Pământul sau o altă planetă masivă (precum un gigant pe gaz) pentru o creștere a vitezei.
Mariner 10 nava spațială a fost prima care a utilizat această metodă, folosind atragerea gravitațională a lui Venus pentru a o trage spre Mercur în februarie 1974. În anii 1980, Voyager 1 sonda a folosit Saturn și Jupiter pentru slingshot-ul gravitațional pentru a-și atinge viteza curentă de 60.000 km / h (38.000 mile / h) și pentru a o transforma în spațiul interstelar.
Cu toate acestea, a fost Helios 2 misiune - care a fost lansată în 1976 pentru a studia mediul interplanetar de la 0,3 AU la 1 AU la Soare - care deține recordul pentru cea mai mare viteză obținută cu ajutorul unui gravitațional. Atunci, Helios 1 (care a fost lansat în 1974) și Helios 2 a deținut recordul pentru cea mai apropiată apropiere de Soare. Helios 2 a fost lansat de un vehicul de lansare convențional NASA Titan / Centaur și plasat pe o orbită extrem de eliptică.
Datorită excentricității mari (0,54) a orbitei solare a sondelor (190 de zile), la perihelion, Helios 2 a putut atinge o viteză maximă de peste 240.000 km / h (150.000 mile / hr). Această viteză orbitală a fost atinsă doar de atracția gravitațională a Soarelui. Tehnic, Helios 2 viteza perihelionului nu a fost un slingshot gravitațional, a fost o viteză orbitală maximă, dar ține totuși recordul pentru a fi cel mai rapid obiect creat de om, indiferent.
Astfel, dacă Voyager 1 se deplasa în direcția piticului roșu Proxima Centauri cu o viteză constantă de 60.000 km / oră, ar fi nevoie de 76.000 de ani (sau peste 2.500 de generații) să parcurgă distanța respectivă. Dar dacă ar putea atinge viteza record-record de Helios 2Este nevoie de o abordare strânsă a Soarelui - o viteză constantă de 240.000 km / h - 19.000 de ani (sau peste 600 de generații) pentru a călători 4.243 de ani-lumină. Semnificativ mai bine, dar încă nu este pe tărâmul practicului.
Unitate electromagnetică (EM):
O altă metodă propusă de călătorie interstelară vine sub forma propulsoarei cu rezonanță radio-frecvență (RF), cunoscută și sub denumirea de unitatea EM. Propusă inițial în 2001 de Roger K. Shawyer, un om de știință din Marea Britanie, care a pornit Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) pentru a-l aduce la bun sfârșit, această unitate este construită în jurul ideii că cavitățile cu microunde electromagnetice pot permite conversia directă a energiei electrice în împingere. .
În timp ce propulsoarele electromagnetice convenționale sunt proiectate pentru a propulsa un anumit tip de masă (cum ar fi particule ionizate), acest sistem de acționare particular nu se bazează pe nicio masă de reacție și nu emite radiații direcționale. O astfel de propunere s-a confruntat cu mult scepticism, mai ales pentru că încalcă legea conservării momentului - care afirmă că în cadrul unui sistem, volumul de impuls rămâne constant și nu este nici creat, nici distrus, ci se schimbă doar prin acțiunea forțe.
Cu toate acestea, experimentele recente cu proiectarea au dat rezultate aparent pozitive. În iulie 2014, la cea de-a 50-a Conferință comună de propulsie AIAA / ASME / SAE / ASEE de la Cleveland, Ohio, cercetătorii din cercetările avansate de propulsie ale NASA au susținut că au testat cu succes un nou design pentru o propulsie electromagnetică.
Acest lucru a fost urmat în aprilie 2015, când cercetătorii de la NASA Eagleworks (parte a Johnson Space Center) au susținut că au testat cu succes acționarea în vid, o indicație că ar putea efectiv să funcționeze în spațiu. În luna iulie a aceluiași an, o echipă de cercetare a departamentului de sistem spațial al Universității din Dresda a Tehnologiei a construit propria versiune a motorului și a observat o apăsare detectabilă.
Și în 2010, prof. Juan Yang de la Universitatea Politehnică de Nord-Vest din Xi’an, China, a început să publice o serie de lucrări despre cercetarea ei în tehnologia EM Drive. Aceasta a culminat cu hârtia sa din 2012, unde a raportat o putere de intrare mai mare (2,5kW) și a testat nivelurile de tracțiune (720 mN). În 2014, ea a raportat în continuare teste ample care au inclus măsurători interne ale temperaturii cu termocuple încorporate, care păreau să confirme că sistemul funcționează.
Conform calculelor bazate pe prototipul NASA (care a generat o estimare a puterii de 0,4 N / kilowatt), o navă spațială echipată cu unitatea EM ar putea face călătoria la Pluto în mai puțin de 18 luni. Aceasta este o șesime din perioada în care sondea New Horizons a ajuns acolo, care circula cu viteze de aproape 58.000 km / h (36.000 mph).
Pare impresionant. Dar chiar și la acest ritm, ar lua o navă echipată cu motoare EM 13.000 de ani pentru ca nava să ajungă la Proxima Centauri. Apropierea, dar nu destul de repede! și până când tehnologia poate fi definitiv dovedită că funcționează, nu are prea mult sens să ne punem ouăle în acest coș.
Propulsie electrică termică / nucleară (NTP / NEP):
O altă posibilitate pentru zborul spațial interstelar este utilizarea navei spațiale echipate cu motoare nucleare, concept pe care NASA îl explorează de zeci de ani. Într-o rachetă de propulsie termică nucleară (NTP), reacțiile de uraniu sau deuteriu sunt utilizate pentru încălzirea hidrogenului lichid din interiorul unui reactor, transformându-l în gaz de hidrogen ionizat (plasmă), care este apoi canalizat printr-o duză de rachetă pentru a genera o împingere.
O rachetă de propulsie electrică nucleară (NEP) implică același reactor de bază care își transformă căldura și energia în energie electrică, care ar alimenta apoi un motor electric. În ambele cazuri, racheta s-ar baza pe fisiunea sau fuziunea nucleară pentru a genera propulsie mai degrabă decât propulsoare chimice, care a fost până acum baza NASA și a tuturor celorlalte agenții spațiale.
În comparație cu propulsia chimică, atât NTP, cât și NEC oferă o serie de avantaje. Primul și cel mai evident este densitatea de energie practic nelimitată pe care o oferă în comparație cu rachetele. În plus, un motor cu energie nucleară ar putea asigura, de asemenea, o tracțiune superioară în raport cu cantitatea de propulsor utilizat. Aceasta ar reduce cantitatea totală de propulsor necesar, reducând astfel greutatea lansării și costurile misiunilor individuale.
Deși niciun motor nuclear nu a mai zburat, în ultimele decenii au fost construite și testate mai multe concepte de proiectare și au fost propuse numeroase concepte. Acestea au variat de la designul tradițional cu miez solid - cum ar fi Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - la concepte mai avansate și eficiente care se bazează fie pe un lichid, fie pe un nucleu de gaz.
Cu toate acestea, în ciuda acestor avantaje în ceea ce privește eficiența combustibilului și impulsul specific, cel mai sofisticat concept NTP are un impuls specific specific de 5000 de secunde (50 kN · s / kg). Folosind motoarele nucleare acționate de fisiune sau fuziune, oamenii de știință NASA estimează că ar fi nevoie de o navă spațială doar 90 de zile pentru a ajunge pe Marte, când planeta ar fi „opusă” - adică aproape de 55.000.000 km de Pământ.
Însă ajustată pentru o călătorie cu o singură direcție spre Proxima Centauri, o rachetă nucleară ar mai avea nevoie de secole pentru a accelera până la punctul în care zbura o parte din viteza luminii. Apoi ar fi nevoie de câteva decenii de timp de călătorie, urmate de încă multe secole de decelerație înainte de a ajunge la destinație. Tot spus, tot vorbim 1000 de ani înainte de a ajunge la destinație. Bun pentru misiunile interplanetare, nu atât de bun pentru cele interstelare.
Metode teoretice:
Folosind tehnologia existentă, timpul necesar pentru a trimite oamenii de știință și astronauții într-o misiune interstelară ar fi lent lent. Dacă dorim să facem această călătorie într-o singură viață, sau chiar o generație, va fi nevoie de ceva ceva mai radical (de asemenea, foarte teoretic). Și, în timp ce motoarele de vierme și motoarele de salt pot fi în continuare în acest moment ficțiune pură, există câteva idei destul de avansate care au fost luate în considerare de-a lungul anilor.
Propulsie de impulsuri nucleare:
Propulsia pulsului nuclear este o formă teoretică posibilă a deplasării rapide în spațiu. Conceptul a fost propus inițial în 1946 de către Stanislaw Ulam, un matematician polaco-american care a participat la Proiectul Manhattan, iar calculele preliminare au fost făcute de F. Reines și Ulam în 1947. Proiectul propriu-zis - Project Orion - a fost inițiat în 1958 și a durat până în 1963.
Condus de Ted Taylor la General Atomics și fizicianul Freeman Dyson de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, Orion a sperat să profite de puterea exploziilor nucleare pulsate pentru a oferi o tracțiune uriașă cu un impuls specific foarte ridicat (adică cantitatea de tracțiune comparativ cu greutatea sau cantitatea de secunde pe care racheta poate trage continuu).
Pe scurt, designul Orion implică o navă spațială mare, cu o ofertă ridicată de focoane termonucleare care realizează propulsie, eliberând o bombă în spatele ei și apoi călărind valul de detonație cu ajutorul unui tampon montat în spate numit „împingător”. După fiecare explozie, forța explozivă ar fi absorbită de acest dispozitiv de împingere, care apoi transpune împingerea în impuls.
Deși greu elegant după standardele moderne, avantajul designului este că atinge un impuls specific ridicat - ceea ce înseamnă că extrage cantitatea maximă de energie din sursa sa de combustibil (în acest caz, bombe nucleare) la un cost minim. În plus, conceptul ar putea, teoretic, să atingă viteze foarte mari, cu unele estimări care sugerează o cifră a centrului de bilă de până la 5% viteza luminii (sau 5,4 × 107 km / h).
Dar, desigur, există inevitabilele dezavantaje ale proiectării. Pentru unul, o navă de această dimensiune ar fi incredibil de scumpă de construit. Conform estimărilor produse de Dyson în 1968, o navă spațială Orion care folosea bombe cu hidrogen pentru a genera propulsie ar avea o greutate de 400.000 până la 4.000.000 de tone metrice. Și cel puțin trei sferturi din această greutate constă în bombe nucleare, unde fiecare focar cântărește aproximativ 1 tonă metrică.
Cu toate acestea, cele mai conservatoare estimări ale lui Dyson au plasat costul total al construcției unei ambarcațiuni Orion la 367 miliarde de dolari. Ajutat pentru inflație, ceea ce înseamnă aproximativ 2,5 miliarde de dolari - ceea ce reprezintă peste două treimi din veniturile anuale curente ale guvernului american. Prin urmare, chiar și la cea mai ușoară, meșteșugul ar fi extrem de scump de fabricat.
Există, de asemenea, ușoarea problemă a tuturor radiațiilor pe care le generează, fără să mai vorbim de deșeuri nucleare. De fapt, din acest motiv se crede că Proiectul a fost încheiat, din cauza trecerii Tratatului parțial de interzicere a testelor din 1963, care a urmărit să limiteze testarea nucleară și să oprească eliberarea excesivă a căderilor nucleare în atmosfera planetei.
Rachete Fusion:
O altă posibilitate pe tărâmul energiei nucleare valorificate implică rachete care se bazează pe reacții termonucleare pentru a genera apăsare. Pentru acest concept, energia este creată atunci când peletele unui amestec de deuteriu / heliu-3 sunt aprinse într-o cameră de reacție prin închisoare inerțială folosind fascicule de electroni (similar cu ceea ce se face la National Ignition Facility din California). Acest reactor de fuziune ar detona 250 de pelete pe secundă pentru a crea plasmă cu energie mare, care ar fi apoi direcționată de o duză magnetică pentru a crea o tracțiune.
Ca o rachetă care se bazează pe un reactor nuclear, acest concept oferă avantaje în ceea ce privește eficiența combustibilului și impulsul specific. Vitezele de evacuare de până la 10.600 km / s sunt estimate, ceea ce este mult peste viteza rachetelor convenționale. Ba mai mult, tehnologia a fost studiată pe larg în ultimele decenii și au fost făcute multe propuneri.
De exemplu, între 1973 și 1978, British Interplanetary Society a efectuat un studiu de fezabilitate cunoscut sub numele de Project Daedalus. Bazându-se pe cunoștințele actuale ale tehnologiei de fuziune și metodele existente, studiul a solicitat crearea unei sonde științifice fără pilot în două etape care să facă o călătorie la Steaua lui Barnard (5,9 ani-lumină de pe Pământ) într-o singură viață.
Prima etapă, cea mai mare dintre cele două, ar funcționa timp de 2,05 ani și va accelera nava spațială până la 7,1% viteza luminii (o.071 c). Această etapă va fi apoi închisă, moment în care a doua etapă și-ar aprinde motorul și ar accelera nava spațială până la aproximativ 12% din viteza luminii (0,12 c) pe parcursul a 1,8 ani. Motorul din a doua etapă ar fi apoi oprit, iar nava va intra într-o perioadă de croazieră de 46 de ani.
Conform estimărilor proiectului, misiunea va dura 50 de ani pentru a ajunge la Steaua lui Barnard. Reglat pentru Proxima Centauri, aceeași ambarcațiune ar putea face călătoria 36 de ani. Dar, desigur, proiectul a identificat, de asemenea, numeroase blocaje care l-au făcut imposibil să folosească tehnologia actuală - majoritatea încă nerezolvate.
De exemplu, există faptul că heliul-3 este rar pe Pământ, ceea ce înseamnă că ar trebui să fie extras în altă parte (cel mai probabil pe Lună). În al doilea rând, reacția care conduce navele spațiale necesită ca energia eliberată să depășească cu mult energia utilizată pentru declanșarea reacției. Și, în timp ce experimentele de pe Pământ au depășit „obiectivul de egalizare”, suntem încă departe de tipurile de energie necesare pentru a alimenta o navă spațială interstelară.
În al treilea rând, există factorul de cost pentru construirea unei astfel de nave. Chiar și după standardul modest al ambarcațiunii fără pilot ale proiectului Daedalus, o ambarcațiune complet alimentată ar avea o greutate de până la 60.000 Mt. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, greutatea brută a SLS-ului NASA este de puțin peste 30 de milioane de tone, iar o singură lansare vine cu un preț de 5 miliarde de dolari (pe baza estimărilor făcute în 2013).
Pe scurt, o rachetă de fuziune nu ar fi doar costisitoare de construit; ar necesita, de asemenea, un nivel de tehnologie a reactorilor de fuziune care este în prezent în afara mijloacelor noastre. Icarus Interstellar, o organizație internațională de oameni de știință voluntari (dintre care unii au lucrat pentru NASA sau ESA) au încercat de atunci să revitalizeze conceptul cu Project Icarus. Fondat în 2009, grupul speră să facă posibilă propulsia fuziunii (printre altele) în viitorul apropiat.
Fusion Ramjet:
Cunoscută și sub denumirea de Bjetard Ramjet, această formă teoretică de propulsie a fost propusă pentru prima dată de fizicianul Robert W. Bussard în 1960. Practic, este o îmbunătățire față de racheta standard de fuziune nucleară, care folosește câmpuri magnetice pentru a comprima combustibilul cu hidrogen până la punctul de fuziune. are loc. Dar în cazul lui Ramjet, o pâlnie electromagnetică enormă „scoate” hidrogen din mediul interstelar și îl aruncă în reactor ca combustibil.
Pe măsură ce nava ridică viteza, masa reactivă este forțată într-un câmp magnetic constrâns progresiv, comprimându-l până la producerea fuziunii termonucleare. Câmpul magnetic direcționează apoi energia ca evacuare a rachetelor printr-o duză a motorului, accelerând astfel vasul. Fără ca rezervoarele de combustibil să o cântărească, un ramjet de fuziune ar putea atinge viteze care să se apropie de 4% din viteza luminii și să călătorească oriunde în galaxie.
Cu toate acestea, potențialele dezavantaje ale acestui design sunt numeroase. De exemplu, există problema drag-ului. Nava se bazează pe o viteză crescută pentru a acumula combustibil, dar, întrucât se ciocnește cu hidrogenul din ce în ce mai mare, mai poate pierde viteză - mai ales în regiunile mai dense ale galaxiei. În al doilea rând, deuteriu și tritiu (utilizate în reactoarele de fuziune aici pe Pământ) sunt rare în spațiu, în timp ce fuzionarea hidrogenului regulat (care este abundent în spațiu) este dincolo de metodele noastre actuale.
Acest concept a fost popularizat pe larg în domeniul science-fiction. Poate cel mai cunoscut exemplu în acest sens este în franciza Star Trek, unde „colecționarii Bussard” sunt nacele strălucitoare pe motoarele de urzeală. Dar, în realitate, cunoștințele noastre despre reacțiile de fuziune trebuie să progreseze considerabil înainte ca un ramjet să fie posibil. De asemenea, ar trebui să ne dăm seama de această problemă de tragere neplăcută înainte de a începe să luăm în considerare construirea unei astfel de nave!
Sail cu laser:
Pânzele solare au fost considerate de mult timp un mod rentabil de explorare a sistemului solar. Pe lângă faptul că sunt relativ ușor și ieftine de fabricat, există un plus suplimentar de pânze solare care nu necesită combustibil. În loc să folosească rachete care necesită propulsor, vela folosește presiunea de radiație de la stele pentru a împinge oglinzi mari ultra-subțiri la viteze mari.
Cu toate acestea, de dragul zborului interstelar, o astfel de navigație ar trebui să fie condusă de fascicule de energie focalizate (adică lasere sau microunde) pentru a o împinge către o viteză care se apropie de viteza luminii. Conceptul a fost inițial propus de Robert Forward în 1984, care era fizician în laboratoarele de cercetare ale lui Hughes Aircraft.
Conceptul păstrează avantajele unei vele solare, prin faptul că nu necesită combustibil la bord, dar și din faptul că energia laser nu se disipează cu distanța aproape la fel de mult cu radiațiile solare. Așadar, în timp ce o navigație cu laser ar dura ceva timp pentru a accelera până la viteze aproape luminoase, aceasta ar fi limitată doar la viteza luminii în sine.
Conform unui studiu din 2000 produs de Robert Frisbee, director al studiilor avansate de concept de propulsie la Jet Propulsion Laboratory de la NASA, o vela cu laser ar putea fi accelerată la jumătate din viteza luminii în mai puțin de un deceniu. De asemenea, el a calculat că o navigă care măsoară aproximativ 320 km (200 mile) în diametru ar putea atinge Proxima Centauri în puțin peste 12 ani. Între timp, o navigă care măsoară aproximativ 965 km (600 mile) în diametru ar ajunge chiar sub 9 ani.
Cu toate acestea, o astfel de pânză ar trebui să fie construită din compozite avansate pentru a evita topirea. Combinat cu dimensiunile sale, acest lucru ar adăuga un ban destul de frumos! Și mai rău este cheltuiala pură generată de construirea unui laser suficient de mare și puternic pentru a conduce o vela la jumătate din viteza luminii. Conform propriului studiu al lui Frisbee, laserele ar necesita un flux constant de 17.000 terawati de putere - aproape de ceea ce întreaga lume consumă într-o singură zi.
Motor antimaterie:
Fanii științei de ficțiune sunt siguri că au auzit de antimaterie. Dar, în caz că nu o aveți, antimateria este în esență material compus din antiparticule, care au aceeași masă, dar opusă sarcină ca și particulele obișnuite. Între timp, un motor antimaterie este o formă de propulsie care folosește interacțiunile dintre materie și antimaterie pentru a genera putere sau pentru a crea împingere.
Pe scurt, un motor antimaterie implică particule de hidrogen și antihidrogen trântite împreună. Această reacție se declanșează la fel de multă energie ca o bombă termonucleară, împreună cu un duș de particule subatomice numite pioni și muoni. Aceste particule, care ar călători cu o treime din viteza luminii, sunt apoi canalizate printr-o duză magnetică pentru a genera o împingere.
Avantajul acestei clase de rachete este că o fracțiune mare din masa de odihnă a unui amestec de materie / antimaterie poate fi transformată în energie, permițând rachetelor antimaterie să aibă o densitate de energie și un impuls mult mai mari decât orice altă clasă propusă de rachetă. Mai mult, controlul acestui tip de reacție ar putea împinge o rachetă până la jumătate din viteza luminii.
Livrată pentru lire, această clasă de nave ar fi cea mai rapidă și cea mai eficientă combustibil concepută vreodată. În timp ce rachetele convenționale necesită tone de combustibil chimic pentru a propulsa o navă spațială până la destinația sa, un motor antimaterie ar putea face aceeași treabă cu doar câteva miligrame de combustibil. De fapt, anihilarea reciprocă a unei jumătăți de kilogramă de particule de hidrogen și antihidrogen ar dezlănțui mai multă energie decât o bombă cu hidrogen de 10 megatoni.
Tocmai din acest motiv NASA Institutul pentru concepte avansate (NIAC) a investigat tehnologia ca un posibil mijloc pentru viitoarele misiuni de pe Marte. Din nefericire, atunci când avem în vedere misiuni în sistemele de stele din apropiere, cantitatea de combustibil necesară pentru a face călătoria se înmulțește exponențial, iar costul pentru producerea acesteia ar fi astronomic (fără punct!).
Conform unui raport pregătit pentru cea de-a 39-a Conferință și expunere comună de propulsie AIAA / ASME / SAE / ASEE (de asemenea, de Robert Frisbee), o rachetă antimaterie în două etape ar avea nevoie de peste 815.000 de tone metrice (900.000 tone SUA) pentru a face călătoria. la Proxima Centauri în aproximativ 40 de ani. Nu este rău, în ceea ce privește termenele. Dar din nou, costul ...
În timp ce un singur gram de antimaterie ar produce o cantitate incredibilă de energie, se estimează că producerea unui singur gram ar necesita aproximativ 25 de milioane de miliarde de kilowati-ore de energie și ar costa peste un trilion de dolari. În prezent, cantitatea totală de antimaterie creată de om este mai mică de 20 de nanograme.
Și chiar dacă am putea produce antimaterie ieftin, ai avea nevoie de o navă masivă pentru a deține cantitatea de combustibil necesară. Potrivit unui raport al Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby de la Universitatea Aeronautică Embry-Riddle din Arizona, o navă interstelară echipată cu un motor antimaterie ar putea atinge 0,5 viteza luminii și poate ajunge la Proxima Centauri în puțin peste 8 ani. Cu toate acestea, nava în sine ar cântări 400 de tone (441 tone SUA) și ar avea nevoie de 170 de tone (187 tone SUA) de combustibil antimaterie pentru a face călătoria.
O modalitate posibilă de a face acest lucru este de a crea o navă care poate crea antimaterie pe care ar putea să o depoziteze ca combustibil. Acest concept, cunoscut sub numele de Sistemul Explorator de Rachete Interstellare Vacuum to Antimatter (VARIES), a fost propus de Richard Obousy din Icarus Interstellar. Pe baza ideii de realimentare in situ, o navă VARIES s-ar baza pe lasere mari (alimentate de tablouri solare enorme) care ar crea particule de antimaterie atunci când sunt aruncate în spațiul gol.
La fel ca conceptul Ramjet, această propunere rezolvă problema transportării combustibilului prin valorificarea acestuia din spațiu. Dar încă o dată, costul exclusiv al unei astfel de nave ar fi costisitor prohibitiv folosind tehnologia actuală. În plus, capacitatea de a crea antimaterie în volume mari nu este ceva ce în prezent avem puterea de a face. Există, de asemenea, problema radiațiilor, deoarece anihilarea materiei antimaterie poate produce explozii de raze gamma de mare energie.
Acest lucru nu numai că prezintă un pericol pentru echipaj, necesitând protejarea semnificativă a radiațiilor, dar necesită protejarea motoarelor și pentru a se asigura că nu suferă degradări atomice de radiațiile la care sunt expuse. Așadar, linia de jos, motorul antimaterie este complet impracticabil cu tehnologia noastră actuală și în mediul bugetar actual.
Unitate Warp Alcubierre:
Fanii științei de ficțiune sunt, de asemenea, fără îndoială familiarizați cu conceptul unui Drive Alcubierre (sau „Warp”). Propusă de fizicianul mexican Miguel Alcubierre în 1994, această metodă propusă a fost o încercare de a face posibilă călătoria FTL fără a încălca teoria Einstein a Relativității Speciale. Pe scurt, conceptul implică întinderea țesăturii spațiului-timp într-un val, ceea ce teoretic ar determina spațiul din fața unui obiect să se contracte și spațiul din spatele acestuia să se extindă.
Un obiect din interiorul acestei valuri (adică o navă spațială) ar putea apoi să călărească acest val, cunoscut sub numele de „bule de urzeală”, dincolo de viteza relativistă. Deoarece nava nu se mișcă în interiorul acestei bule, ci este transportată pe măsură ce se mișcă, regulile spațiului-timp și ale relativității ar înceta să se mai aplice. Motivul fiind, această metodă nu se bazează pe mișcarea mai rapidă decât lumina în sens local.
Este doar „mai rapid decât lumina”, în sensul că nava și-ar putea ajunge mai repede la destinație decât un fascicul de lumină care călătorea în afara bulei de urzeală. Deci, presupunând că o navă spațială ar putea fi echipată cu un sistem Alcubierre Drive, ar putea face călătoria către Proxima Centauri în mai putin de 4 ani. Așadar, când vine vorba de călătorii teoretice interstelare în spațiu, aceasta este de departe cea mai promițătoare tehnologie, cel puțin din punct de vedere al vitezei.
Desigur, conceptul a primit de-a lungul timpului cota sa de contraargumente. Principalul dintre aceștia este faptul că nu ia în considerare mecanica cuantică și ar putea fi invalidat de o Teorie a Totului (cum ar fi gravitația cuantică buclă). Calculele privind cantitatea de energie necesară au indicat, de asemenea, că o acțiune de urzeală ar necesita o cantitate prohibitivă de putere pentru a funcționa. Alte incertitudini includ siguranța unui astfel de sistem, efectele asupra spațiului-timp la destinație și încălcările cauzalității.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
